1、第六章 建筑結構耐火設計1、鋼材在高溫下其強度和彈性模量降低，造成鋼結構變形過大失去支撐能力而倒塌。國內曾多次發生倒塌事故。 如 1 960 年重慶天原化工廠、 1973 年天津市 體育館、 1986 年唐山市棉紡織廠、 1987年江油電廠俱樂部等火災都引起了鋼屋 架的倒塌2 、鋼砼結構雖屬于耐火結構，在高 溫下鋼筋強度降低，砼強度、彈性模量 降低，砼爆裂加速鋼砼構件的破壞，也 有可能發生倒塌破壞。典型案例：南昌萬壽宮商城火災 建筑結構耐火設計 就是通 過對常溫下設計的結構進行必要的驗算 和補充，確保結構在限定的耐火時間內 安全可靠。、建筑結構耐火設計的現狀（一）我國建筑結構耐火設計僅限規 范

2、中耐火等級的劃分這種設計方法。1 、對建筑構件進行耐火試驗（標準 條件下），確定其耐火極限；2 、若所選構件耐火極限滿足規范規 定，認為構件滿足防火設計要求。（二）存在問題1 、標準升溫曲線不同于實際火災；2 、耐火試驗中構件的試驗荷載、約 束條件、測量等條件不易精確控制，與 實際情況有出入；3 、耐火試驗爐尺寸有限。 總之，試驗結果不能準確代表構 件在實際火災下的耐火性能。二、新設計方法根據建筑結構在實際火災中 “設計受 火狀況 ”，確定其結構承載力，若這一承 載力大于火災時的有效荷載，即認為結 構安全可靠。第一節 建筑結構的倒塌與破壞一、結構倒塌破壞的概念1 、建筑物 結構 構件2 、引起

3、建筑結構倒塌破壞的原因很 多3 、建筑結構因火災倒塌破壞的后果 是嚴重的二、結構倒塌破壞的原因1 、木結構（包括其他可燃材料制作的構件）表面被燒蝕，削弱了承重斷面；2 、鋼結構受熱變形破壞；3 、磚石砌體因受熱變形而開裂破壞；4 、鋼筋砼結構由于持續高溫承載力下降；（鋼砼結構耐火時間 1h 以上，預應 力鋼砼結構 1h 以下）5 、結構因爆炸沖擊震動而破壞；6 、因上部結構倒塌引起結構破壞；7 、滅火射水所致 三、建筑結構倒塌的一般規律1 、倒塌的順序一般是從上到下，先 吊頂，后屋蓋，最后是墻、柱。2 、木結構、鋼結構都是易發生倒塌 破壞，預應力鋼砼不僅易發生倒塌破壞， 而且破壞發生的早，來的

4、突然。3 、木結構屋頂，整個倒塌的少，局 部破壞的多；鋼結構屋頂則多發生整體 或較大部分破壞或倒塌。4 、在結構形式，簡支構件、懸臂構 件等靜定結構比連續梁等超靜定結構易 于倒塌破壞；三鉸拱、薄殼結構屋頂的 倒塌破壞大多是整片的；桁架結構在火 災情況下破壞發生的早，且往往是大面 積的破壞。5 、房屋的墻一般是向里倒的。第二節 鋼結構耐火設計、鋼結構的耐火性能（一）鋼材的高溫力學性能是溫度的函數，各國研究結果不同，推 薦采用前蘇聯和日本采用的計算公式：LO (Z 30(TC)（二）鋼材的截面溫度分布可認為鋼構件內部溫度均勻分布（三）構件的破壞過程6巧b 口綜上述，由于鋼結構由單一材料組成， 溫度

5、均勻分布，截面呈薄壁狀，受火面 積大，火災中升溫快，強度降低嚴重。 一般裸露鋼結構的耐火極限僅15min。 國內外多次發生倒塌事故，所以應該進 行保護。二、鋼結構耐火保護方法（一）屏蔽法設阻火屏障，不讓火焰接觸鋼構 件。（二）包封法用絕熱材料做成外殼，保護鋼構 件。1、澆砼包封2、不燃型材包覆3 、鋼絲網抹灰（三）噴涂法1 、噴涂無機纖維材料 礦物纖維 +粘結劑2 、涂防火涂料 鋼結構防火涂料分為薄涂型鋼結構 防火涂料（B類）和厚涂型鋼結構防火涂 料（H類）：（ 1） B 類：適用于室內裸露鋼結構、 輕型鋼屋蓋結構及有裝飾要求的鋼結構 要求耐火極限為 1.5h 以下。一般分為底層涂層和面層涂料

6、， 涂層厚度不超過7mm（27mm，有一定 裝飾效果，高溫時涂層膨脹增厚，具有 耐火隔熱作用，可將耐火極限由 0.25h 提高到 1.5h ，又稱鋼結構膨脹防火涂料。 如 LB 鋼結構膨脹防火涂料。 （ 3mm0.5 h、5mm1.0h 、 6m m1.5h ）（ 2） H 類：又稱無機防火隔熱涂料， 適用于隱蔽結構及耐火極限大于 1.5h 的鋼結構。涂層厚度一般在7mm以上（ 7Omm，粒狀表面，密度較小，熱導熱率低，耐火隔熱性好，能將鋼結構的耐火極限由0.25h提高到1.5h4h。女口 LG鋼結構防火隔熱涂料mm0.5h 、12mm1.0h 、1 7mm 1 . 5h 、27mm2.0h

7、、32mm2.5h 、37mm 3 . 0 h ）（四）水噴淋法 設自動（手動）噴淋系統， 火災時 噴水，在構件表面形成一層連續流動水 膜，從而起到保護作用。以上四種屬于截流法，設法減小傳到 構件上的熱流量。（五）充水冷卻保護 適用于空心結構， 通過水循環， 不 斷將熱量帶走，從而使鋼材溫度永遠達 不到它的極限溫度。又稱疏導法。 三、鋼結構耐火保護層厚度計算（一）保護材料的選用與分類1 、選用（ 1 ）具有良好的絕熱性；（2）在裝修、正常使用、火災中， 不開裂、不脫落，自身有一定強度；(3) 不腐蝕鋼材；(4) 不含危害人體健康的石棉等物 質。2、分類(1) 按吸熱能力分為:輕型材料護占聲重型

8、材料4(2)按含水率大小分為:干保護材料輕25含水保護材料10-平衡含水率 見表6-2(二)鋼構件臨界溫度計算(Tc) 臨界溫度：當構件在 火災有效荷 載作用下，遭受火燒達到極限狀態的溫火災有效荷載：構件在火災時實際承受的重力荷載G亠-永久荷載標淮值Q -可變荷載標準值 甲-準永久系數此時溫度為臨界溫度Tcf/-設計強度77r5 -塑性系數當”才下降到 F#作用下時構件破壞Tc = 750 - 450 上丄其中o咖b卩対當一端固定一端絞支梁兩端固定或連續梁內跨 其余所有構件2322設 ” J/ &工-內力重分布影響系數Tc = 750 - 450當 T八 550時 取 Tc = 550 C例：

9、某鋼柱，其有效荷載與設計荷載 之比為0.7，求臨界溫度。解:= 0.702 =1*0Tc = 750-45062二 二 435（QC）（三）構件的截面系數定義：構件單位長度內受火面積F與 其體積V之比。F/V越大，構件受火面積越大，構 件越不耐火。所用保護材料構造方式不 同時，具體計算方法可查表 64(P139)。如：1、在時間dt內，傳入構件單位長度的 總熱量：2NQ = qFdt = (T-T5)FdiF -單位長度構件保護材料內表面面積(亦/rn)2、在時間dt內，構件溫度上升dTs，爐 溫上升T，則單位長度構件吸收的熱量：AQ =5叩兀戶-單位長度構件的體積(m3 /m)按穩態考慮，材

10、料內溫度線性分布，在d t時間內材料吸收的熱量：AT + dT 2FD pc（四）導熱微分方程 假設：（1）保護材料外表面溫度等于爐內 平均溫度。T(0 = 3451g + 11 + 20160丿（2）由外部傳輸入的熱量全部消耗 于提高構件和保護材料的溫度，不計其 它熱量損失。q = g（了 -匚）（dt時間內看作勻質平板傳熱）q 通過保護材料傳給構件的熱流強度（財/那）無- -導熱系數W !m C）D保護層厚度T - -材料外表面溫度即爐溫（C）t3 - -材料內表面溫度即構件溫度（C）（3）根據假設， Q=A Q+厶Q2，上述結果代入，令齊曲經整理得:dr 二 Jt -丁）出 - t 丄3

11、 JPs 1 + 彳 v31+子由于AT二廠方二149$3?一刀八 隨t增加，ZVT很快8Z + 60衰減，AT可忽略不計，偏于安全計算：_羋=4丄上珂）九八人重型材料導熱微分方程 出 5P, 1 +歹卩當孑 丄時，吸熱力較小，可忽略不計，孑=0 得輕型材屛導熱微分方程：力 J P s（五）輕型干保護材料厚度計算T - “ A L將上式簡化：3 八萬已知保護材料及構造方式，即F,7 已知, 給定耐火時間X T護就可求岀D。但由于方程不是 簡單函數，化為差分方程口5 D V345迸+20160丿1 兄 F Ju+ 1 r * Az 兔(F)I JP, D V 丿 A F令廠a帀 稱為截面一材料綜

12、合系數(w/m3r)? 則上式化為：atAt(St )P-3451gv + 1+ 20(60丿給定耐火時間t和構件臨界溫度Ts,通過計算機迭代可解出綜合截面系數務.如表63 (P135) o選走材料，即已知A.Fy 即可由勺=中，無出D V(六)重型或含水材料保護層厚度計算1. 重型材料保護層厚度計算當選用重型材料時，其吸熱能力大，不能忽略口(1)先按輕型干保護材料求出初定厚度D；松躋(3)若纟蘭寸,”即為所求;二 GP2叨2. 含水材料保護層厚度計算當選用含水材料作保護層時，溫度上升到loot,水份蒸發吸收熱量，材料溫度基本不變；水份蒸發完 后，溫度繼續上升，如圖所示，升溫曲線與干材類似 只

13、是滯后時間S根據國外試驗研究結果，匚可由下式估 算：j3pDi2 z . xI嚴氣廠(nim)計算步驟:(1)求輕型干材確定初定厚度D:當妙仁25時,為干材，D即為所求;(3)(4)A當恥氣巧時，對D進行修正; X/3pDa z . xt嚴空礦(nun)用代替仁重查表63得2用修正后碣代入 = 0.13m, J = 0.0= 67 xl0_4m2;釆用石膏板作三面箱形包覆,2 = 0.2FK/m2 aCt p = 800Xg/m c = 17OOJ/KgC,0 = 2O%;臨界溫度 7； =451C;另外匚=52GJ /KgQC, = 7850Kg/m解(1)求初定厚度D :查表6-4: -V

14、b + 2hA0.13+2x0.32 = n4967K10 4查表 6 3:7； =450C7 = 90niin, =517W/jnCw = T=Sx114-9 = 0 045 (m)(2)對iv進行吸熱修正：cpFD2的1700x800x0.0452x520x7850屬重型材料,需進行吸熱正:1700x8002x520x7850= 0.1667由公式：-1 +2x0.1667x1149=0.0288 (m)(3)對D*進行含水修正：叱=處販20洌=66 36 ” 25為含水材料, 兄0*2需要進行含水修正：PN20x800 x0.02882芯仁=14 (min)v 5A5x0.2以疑尸 9C

15、M475min,Tc=450C,查表 63 得 ,=647 W / m3 C再由公式：D =J+4K(2K%2-1 +_ -1+ 800 C2 、觀察構件的受損傷情況，注意發 現節點、支座、跨中及構件接合部位的 損傷和倒塌破壞。記錄砼受壓區有無壓 碎情況，保護層剝落的位置、形狀，發 現構件在火災中的燒熔融部位，構件上 有無燒穿的孔洞，接頭預埋件是否發生 位移，觀察鋼筋有無燒斷的情況，砼在 火災中發生爆裂的位置、大小、深度等3 、用工具測量結構的變形、裂縫， 取得較準確的數據。（1）測量裂縫的分布位置、寬度、深 度和長度。特別注意有無貫穿性裂縫和 沿鋼筋的縱向裂縫。若裂縫寬度大于 5m m是鋼砼

16、破壞的標志。（2）構件變形不僅測撓度，還要注意 構件有無平面外彎曲。4 、構件試驗：在受損輕重交界部位 取樣，確定其剩余承載力。二、受損程度的鑒定 根據結構受熱溫度、變形狀況、 裂縫分布及開展等，將結構受損程度分 為四個等級：（一）一級 輕度損傷砼表面溫度v 400C，受力主筋 溫度 100C，構件表面顏色無明顯變 化，鋼筋保護層完好，無露筋現象，沒 有空鼓。構件僅裝修、粉刷有輕微損壞， 其它狀態與未受火結構無明顯差別。（二）二級 中度損傷砼表面溫度400500C ;受力主筋溫 度v 300C；砼顏色由灰色變為粉紅色； 有空鼓現象，使中等力用錘敲擊時，鋼 筋保護層可打落下，構件表面有局部爆 裂

17、，爆裂深度不超過20mm構件露筋面 積不大于 25%；砼表面有裂縫， 縱向裂縫 少，鋼筋和砼之間粘結力損傷較輕；構 件的殘余撓度不超過規范規定的數值。（三）三級 嚴重損傷砼表面受熱溫度約600700C； 受力主筋溫度約300400C；砼表面顏色 呈淺黃色；構件空鼓現象較嚴重，用鍾 敲擊聲音發悶，鋼筋保護層剝落；砼爆 裂嚴重，深度可達30mm露筋面積小于 40%；砼裂縫多，縱向、橫向裂縫均有， 鋼筋與砼之間粘結力局部破壞嚴重；構 件變形較大，受彎構件的撓度超過規范 數值 13 倍；受壓構件約有 30%的受壓鋼 筋鼓出；砼有局部燒壞。（四）四級 危險結構 砼表面溫度約700C以上；受力主筋 溫度可達400500C；構件受到實質性破 壞，有明顯受火燒融的痕跡，鋼筋保護 層嚴重剝落；表面砼爆裂深度在30mn以 上；露筋嚴重，面積大于 40%；構件縱向、 橫向裂縫多而密，鋼筋與砼之間粘結力嚴重破壞，鋼筋有燒損和燒斷現象，主 筋有扭曲，受彎構件受拉區裂縫寬度可 達15mm受壓區有明顯破壞特征，支座 處斜裂縫增多；構件撓度可達到破壞標 準，且有平面外彎曲；構件沿垂直、水 平方向被分割成若干層；受壓構件失去 穩定，局部破壞，50%以上的受壓鋼筋鼓 出；柱牛腿燒損嚴重。三、火災損傷鋼砼結構加固和修復 總的原則：